蒸汽质量对RH真空度波动的影响

时间：2024-07-28

吴寅

（攀钢集团有限公司，四川攀枝花 617067）

0 前言

攀钢提钒炼钢厂高速轨钢RH精炼设备在生产过程中，由于真空泵运行不稳定，导致真空度波动与抽真空速度慢，除去泄漏、流量不足等重要因素，蒸汽质量对拉瓦尔喷嘴喷射泵的稳定运行也起着关键作用。真空泵对蒸汽质量有严格的要求：适合的蒸汽量；适合的压力和温度；不含空气和其它不凝性气体；干净；干燥；等等。该精炼设备站的工作蒸汽供给系统输出压力为1.3 MPa，温度为200℃。通常，真空泵的抽气能力不受过热或者饱和蒸汽的影响，或者说影响可以忽略不计，但当蒸汽供给系统的管道散热和工作蒸汽膨胀而变湿时，会使泵的性能不稳定。本文主要研究温度和含水量等因素对RH真空度波动的影响。

1 蒸汽的工作原理

该RH精炼设备采用蒸汽喷射泵系统，如图1所示。蒸汽通过拉瓦尔喷嘴在喷射泵中绝热膨胀对外做功，如图2所示。由于同外界没有热量的交换，所以是个等熵过程，称为等熵膨胀。根据热力学第一定律d Q＝d U＋p d V，对于理想气体d U＝cv d T，在绝热的情况下d Q＝0，所以0＝cv d T＋p d V，可得－d T＝，只要蒸汽对外界做功，同时膨胀所做的功以焓的减少为补偿，系统必定降温。在蒸汽绝热膨胀时，温度和压力降低，只要被抽气体的压力高于混合室的压力，则被抽气体被吸入混合室，即这个过程中其压力降低，焓值下降，热容激增，速度迅速增加至超音速。

工作蒸汽和被抽气体在混合室中进行混合，然后两股气流进行能量的交换，绝热膨胀后的蒸汽对被抽气体进行做功，使其速度迅速增加，进而工作蒸汽带着被抽气体进入扩压器中。

在扩压器中，被抽气体与蒸汽一边进行能量交换，一边逐渐压缩，动能转化为势能，到扩压器喉部时已完成混合过程达到音速，压力升高，经过扩张段速度继续降低至亚音速，随着压力的进一步升高，从而将被抽气体排出喷射器。因此，从蒸汽喷射泵的工作过程和原理来看，蒸汽的质量影响拉瓦尔喷射泵是否能够正常工作。

图1 蒸汽系统

图2 蒸汽单级喷射泵工作原理

2 蒸汽含水量和蒸汽温度对真空度的影响

2.1 蒸汽含水量对真空度的影响

当真空泵喷嘴喷射出的蒸汽流中含有微小水珠时，这些水珠不能像蒸汽那样膨胀产生速度，它只能被蒸汽推动而增加速度，因此湿蒸汽中的水分不但不能产生能量，而且还要消耗能量。喷嘴出来的蒸汽流速度下降，造成如下影响：

（1）蒸汽喷射泵的抽气能力下降。对喷射泵（3a、3b、4a、4b）而言，蒸汽流（湍流）对被抽气体的卷带效应变差；对增压泵（B1、B2）而言，一方面是蒸汽流（层流）对被抽气体的粘性摩擦效果变差，另一方面是蒸汽流密度变大后被抽气体扩散到蒸汽流的效果下降。

（2）蒸汽流横向扩散作用变大，形状的变化导致扩器收缩段动能转换为位能的效率变差，进而导致蒸汽泵排压下降，造成下一级真空泵压缩比扩大。

2.2 蒸汽温度对真空度的影响

攀钢RH系统预抽真空时蒸汽压力为1.4 MPa，真空处理开始后，蒸汽用量急剧上升，蒸汽压力急剧下降（最低至1.15 MPa），这一过程实质上造成了管道内蒸汽体积的急速膨胀，蒸汽温度骤降3～5℃不等，蒸汽过热度不足时就会产生冷凝水。实际生产中要求有一定的冗余量，通常蒸汽过热10℃，即205℃左右。

3 蒸汽中含水量和温度的控制

通过以上分析，供给系统管线中的蒸汽含水量，成为蒸汽泵抽气能力与性能稳定的重要因素，为了获得适合的蒸汽温度和含水量，采取如下措施。

3.1 合理布置疏水阀

从图3的减温减压蒸汽流程图可看出：在蒸汽总进口位置，减压操作，冷却水减温和输出管道上分别布置4个疏水阀；在蒸汽分配包前端，蒸汽分配包后端，主泵B1和B2的保温蒸汽，工作蒸汽布置了共6个疏水阀。

图3 减温减压蒸汽流程图

3.2 增设汽水分离器

为了分离掉管线远距离输送的蒸汽中疏水阀不能处理的悬浮液滴，选择在蒸汽分压包前端增加挡板式汽水分离器，它由多块挡板组成，液体在分离器内可多次改变流动方向。由于悬浮水滴的质量和惯性较大，当遇到挡板流动方向改变，干蒸汽可绕过挡板继续前进，而水滴则会聚积在挡板上。由于汽水分离器有较大的流通面积，减少了水滴的动能，大部分水滴都会凝聚，最后落到分离器的底部，进而通过疏水阀排出。实践证明，挡板式分离器在10～30 m／s的流速之间分离效率可以接近90%。

3.3 拟增设暖管措施

由于维修或其它原因让工作蒸汽长时间停机并重启时，可以考虑暖管措施。这个阶段冷凝水量较大，对于暖管时产生的热量散失称为“暖管负荷”。当管道正常运行时，同样会有一小部分稳定的管道散热损失，称为“运行负荷”。

该精炼设备站的蒸汽供给系统没有暖管设施，长期停止后重启直接送气到用汽点，这样管道中的冷凝水无处排放，极易形成水弹，发生水锤现象，且增加了蒸汽的湿度。因此拟增加一套旁路暖管装置来对长期停机后的管道进行暖管。

把蒸汽主管加热到工作温度需要的蒸汽流量与管道的质量、比热、温升、蒸汽的蒸发焓和暖管时间等因素有关，即

式中，ms为蒸汽的平均冷凝率；w管道与法兰以及接头的总重量；Ts为蒸汽温度；Tamb为环境温度；Cp为管道材质的比热；hfg为工作压力下的蒸发焓；t为暖管时间。

其中 w、Ts、Tamb、Cp、hfg均为定值，故 t与ms成反比，因此采用长时间的暖管可降低暖管负荷，提高管道输送合格蒸汽质量的能力。

3.4 预备先减温后减压的措施

通过先减温后减压的蒸汽处理工艺，可以得到微过热的蒸汽，其机理为：蒸汽进站时为过热状态（3.1 MPa、310℃，焾值3014.83），在压力不变的状态下喷水降温到235.49℃后变为饱和蒸汽，焓值下降到2801.65；再降压为到目标压力（1.4 MPa），此过程中焓值不变仍然保持2801.65，温度降为198.5℃。对比1.4 MPa时饱和蒸汽参数（195.04℃，焓值2788.4），可以发现蒸汽变为了轻微过热状态。蒸汽状态变化时的参数见表1。

表1 蒸汽状态变化时的参数